動畫：John Rueter，波特蘭州立大學 核糖體，由兩個亞基（灰色和紫色）組成，沿著信使 RNA 或 mRNA （黃色）的鏈條移動，翻譯遺傳資訊（上圖）。 mRNA 上的密碼子（三個鹼基的片段）與轉移 RNA （綠色和粉色）上的互補反密碼子配對，從而形成用於構建蛋白質的多肽鏈（海軍藍方塊）。新的核糖體詳細影像（下圖）揭示了 tRNA 的三個結合位點（綠色、粉色和藍色）如何像傳送帶一樣運作，以及蛋白質形成的其他機械方面。 圖片：CATE 等人。 |
最新的核糖體圖片可能不是最引人注目的生物學影像，但它們代表著 X 射線晶體學精細化和理解分子生物學中一個基本難題的巨大飛躍：這些微小的細胞器如何像高效工廠一樣，利用簡單的遺傳模板製造所有維持生命所需的蛋白質。 Whitehead 研究所的研究員 Jamie Cate 表示，新的研究結果“展示了車間裡不同裝置的擺放位置”。
9 月 24 日出版的《科學》雜誌上的兩篇論文描述了這些影像——首次將整個核糖體的解析度提高到 7.8 埃。較長的論文由加州大學聖克魯茲分校的 Harry F. Noller、他的同事 Marat Yusupov 和妻子 Gulnara Yusupova、勞倫斯伯克利國家實驗室的 Cate 和 Thomas Earnest 撰寫，介紹了核糖體的結構及其與幾種分子的相互作用。第二篇論文由 Noller、Yusupov、Yusopova、Cate 和愛荷華州立大學的 Gloria Culver 撰寫，詳細介紹了核糖體內部的連線。
在此之前，《科學》和《自然》雜誌在 8 月份發表了另外兩篇報告，概述了核糖體結構的不同方面。但最近這一系列成果是在經歷了大約三十年的進展甚微之後才出現的。核糖體——三條 RNA 鏈和 54 種蛋白質編織成兩個分離但纏結的腫塊——一直是一個難以解開的結；它的形狀已被證明與它的功能一樣難以弄清。
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魏茨曼科學研究所和馬克斯·普朗克分子遺傳學研究所的 Ada Yonath，她也有新的研究成果尚未發表，她在 1970 年代後期開始嘗試建立核糖體結構的影像。她在 1980 年的一次會議上展示了她在結晶細胞器和使用 X 射線衍射產生影像方面的首次成功——這些圖片並沒有引起同事們的熱情。儘管如此，一些傑出的導師，如諾貝爾獎獲得者約翰·肯德魯爵士，鼓勵了她，並在 1981 年，她製作出晶體，這些晶體產生的衍射圖清晰到足以區分結構中僅相隔 3 埃的原子。
為整個核糖體實現相同的解析度提出了新的問題。但是，在 Yonath 的帶領下，其他研究人員相信這是可以做到的。其中有 Yusupov 和 Yusupova，他們在俄羅斯普希諾的蛋白質研究所相遇，成為研究生。他們於 1987 年共同生成了核糖體晶體，但無法使用 X 射線束線。因此，在 1996 年，他們與在 UCSC 研究核糖體生物化學 30 年的 Noller 聯手。該團隊招募了晶體學家 Cate，並獲得了 LBNL 晶體學裝置主任 Earnest 的幫助——LBNL 是少數幾個提供同步加速器的地方之一，該同步加速器能夠產生足夠能量的 X 射線，以建立像核糖體這樣大的物體的影像。
事實上，核糖體——在各個方向上測量超過 200 埃——是迄今為止使用 X 射線晶體學解析出的最大的不對稱物體。研究人員已使用該技術生成了大小大致相同的病毒影像，但在這些情況下，他們僅記錄了病毒的一部分，並利用其對稱性來生成整個影像。為了簡化他們的任務，Noller 的小組使用了來自細菌嗜熱棲熱菌的核糖體，這種核糖體比在高等生物中發現的核糖體略小。他們還使用了冷凍電子顯微鏡首先生成較低解析度的影像，然後透過用不同波長的 X 射線衍射穿過用重原子標記的晶體來改進這些影像——這種策略稱為多波長異常散射。反過來，他們使用這些資訊來挑選其他核糖體晶體中的單個重原子。
最終的解析度不夠清晰，無法定義單個原子，但它比他們預期的要好，並揭示了核糖體的許多秘密。特別是，科學家們能夠看到在蛋白質合成過程中，轉移 RNA 如何在核糖體兩個亞基之間的三個結合位點中依次定位（參見動畫和影像）。 Cate 指出：“轉移 RNA 的透過就像在傳送帶上一樣，我們可以看到核糖體如何在每個結合位點以不同的方式保持轉移 RNA。”在一個位點，六個“手指”狀的電子密度，就像機械手一樣，調整進入的轉移 RNA。 Noller 補充說：“核糖體似乎是一個動態的分子機器，具有移動部件和一個非常複雜的動作機制。”
這些影像還使人們能夠更清楚地看到核糖體的兩個獨立單元是如何連線在一起的。研究人員寫道：“最引人注目的特徵是，連線兩者的是 RNA 螺旋。”這個長約 100 埃的螺旋主要位於較小的亞基中，但大約每螺旋圈一次以鬆散的方式接觸較大的亞基。來自較大亞基的另一條 RNA 鏈與較小亞基上的蛋白質成分相互作用。 Culver 指出，“瞭解亞基如何相互作用對於理解核糖體如何工作至關重要。”
這才是真正的目標。有了核糖體的原子模型，科學家們就可以研究其在蛋白質合成不同階段的結構。由於抗生素通常透過破壞細菌核糖體發揮作用，因此這樣的模型很可能以更具針對性的藥物的形式獲得回報。 Noller 解釋說：“我們目前擁有的是一些快照，最終我們想要的是核糖體工作過程的電影。” 以他的團隊目前的工作速度，這部“電影”可能很快就會發布。